冷彎成型是板料深加工的一個重要領域。它是由多段具有一定表面形狀軋輥所組成的成型機組對坯料逐步進行彎曲變形，從而得到均勻截面產品的塑性加工方法。至今為止，冷彎成型技術已得到長足的發展。然而，由于其成型過程中幾何學、運動學、動力學和材料學等方面的復雜性，冷彎成型仍是一門經驗性很強的工程技術。
    輥花設計作為冷彎型鋼孔型設計的核心內容在冷彎成型技術中占有重要地位。在一定的軋機負荷強度下，對于相同的基本輥徑，如何使得板料各個道次的變形均勻是輥花設計的重要目的。它的成功與否，直接影響著最終型材斷面尺寸精度和變形缺陷的產生，也影響著后續的軋輥設計、生產成本和加工周期。
    利用動力顯式有限元法對冷彎成型過程進行仿真，從而判斷輥花設計是否合理是較好的選擇。ANSYS是一個多用途、功能強大的有限元分析軟件。利用其二次開發功能實現通過界面輸入預設輥花參數，建立冷彎成型的有限元模型，并調用LSDYAN求解器對其全過程進行仿真計算分析，可得到板料的等效塑性應力應變等，據此判斷輥花參數設計是否合理，對輥花進行優化。
1 冷彎成型有限元模擬參數和流程
    冷彎成型過程中，板材依次經過布置在成型方向上的成型軋輥，由平面逐漸連續地彎曲成所需要的各種截面。運用ANSYS/LSDYNA對其成型過程進行有限元模擬，即輸入初設的冷彎輥花的配輥參數，建立有限元模型進行分析。以槽鋼為例，模擬時，采用的鋼種為Q235，板料尺寸8mm×682mm，成品彎曲半徑為34mm，彎曲角度為77.1°。考慮到回彈，設計初始輥花圖(圖1)及冷彎成型輥花參數(表1)。

圖1 槽鋼冷彎成型輥花

表l 槽鋼初始冷彎輥花圖中性面參數

    ANSYS參數化APDL語言實現冷彎過程參數化建模分析及輸出板料塑性應力應變分析的流程見圖2。

圖2 程序分析流程圖

2 冷彎成型有限元模型的建立
    在ANSYS界面下，點擊工具欄CHANNEL按鍵，后臺自動運行CHANNEL.MAC文件，進行參數的初始化。通過輸入坯料寬度、厚度及力學性能參數如屈服強度、楊氏模量等，建立板料的模型。通過輸入每個道次的彎曲邊長、彎曲半徑及角度建立軋輥的模型。
    模擬時，板料材料選模型為雙線性隨動強化模型(BKIN)，此材料模型包含有Bauschinger效應，它適用于Von Misses屈服準則。
    由于板料和軋輥都具有對稱性，為了節約計算成本和存儲空間，取其一半進行模擬分析，考慮到板料在道次間變形，機架軋輥間距為800mm，給定板料的長度為1000mm。軋輥作為剛性接觸體定義，單元采用SHELL163，通過軋輥的外圓面來代替整個軋輥，這樣減少了有限元單元的數量，能縮短計算所用機時。
    定義接觸時，由于板料與各個軋輥之間處于不斷的接觸、分離、再接觸的變化之中，是一個非常復雜的邊界非線性問題。因此板料與軋輥之間的接觸采用自動面面接觸(ASTS)，應用罰函數法進行接觸控制，罰函數系數設置為0.6，此時一旦計算時發生接觸穿透現象，就會施加一個很大的罰函數值使其返回到接觸面進行準確的計算。板料與軋輥之間的摩擦采用的是庫侖摩擦模型，其靜動摩擦系數分別為0.2及0.1。
    施加載荷時，對于板料來說，只需對其對稱斷面加以對稱約束。對于軋輥，除繞軸向旋轉不加約束外，其他5個自由度約束都為零。定義板料初始速度時，其初始速度應與軋輥基本輥徑處的線速度相同。軋輥只需給它施加主動的軸向旋轉速度。例如，軋輥的角速度為2rad/s，那么把角速度乘以輥徑就是板料的初始速度。
    當設置求解時，如果板料按真實的速度施加，那么計算運行時間將是幾百小時或是上千小時，這顯然不現實。我們可以通過增加板料的速度或通過質量縮放等方法來減少運行時間，但這些將減低求解精度，所以選擇合適的速度至關重要。設置完畢后，程序最終生成求解模型見圖3。#p#分頁標題#e#

圖3 冷彎成型的有限元模型

3 冷彎模擬初始應力應變圖

    分析求解完成后，可以自動輸出處于彎曲變形區5個位置點(見圖4)隨時間變化的等效塑性應變平均值曲線(見圖5)，可以由每個道次的應變增大值判斷各道次彎曲角度及彎曲半徑分配是否合理。從圖5中可以看出變形區上位置點的等效塑性應變值是隨著板料經過每個道次時在逐漸增大。但這種增大并不是均勻的，在第四道次和第五道次時候，變形區的等效應力增幅最大，達到0.13和0.11，分別占總變形量的26％和22％，其他道次相對較小。

圖4 板料與軋輥1相對位置及變形區位置點的示意圖

圖5 初始等效應變平均值曲線圖

    在一定的軋機負荷強度下，對于相同的基本輥徑，為了使得板料各個道次變形均勻，可以依此調整初設輥花參數值，對輥花進行修正優化。
4 冷彎模擬優化后應力應變圖
    由上分析結果進行優化，減少四五道次的角度和半徑的變化量，適當分配到其他道次，修正參數，得到槽鋼優化后的冷彎輥花圖參數，見表2。

表2 槽鋼優化冷彎輥花圖中性面參數

    重新模擬后，得到了優化后的彎曲變形區5個位置點隨時間變化的等效塑性應變平均值曲線見圖6。可以看到在四五道次的等效應變已經大大減少，增大量為0.06和0.09，為總應變的14％和18％。相應其他道次的應變已經增大，達到了使板料各個道次分配均勻的目的。

圖6 優化后等效應變平均值曲線圖

5 結語
    在ANSYS界面下，利用ADPL語言初步實現了冷彎成型過程仿真，據此可判斷預設輥花各個道次彎曲角度及彎曲半徑分配是否合理。程序通過輸入預設輥花的參數，自動建模運算，得出變形后的應力應變圖表或數值，進而通過人工判斷和修正輥花，使得板料各個道次的變形均勻，對生產合格冷彎產品、縮短產品周期有著重要作用。
    雖然利用ANSYS二次開發來仿真模擬冷彎成型方法是可實現的，但仍存在不少問題有待解決，如擴大產品范圍、提出更好的材料模型、靈活多變的道次選取、更加合理的輥型描述等等，這些都值得在以后的工作中研究。